JP2008292119A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気供給設備を備えた発電装置において、発生蒸気の流量が最大となる最大負荷運転を常時維持できるようにして高いコストパフォーマンスを発揮する発電装置を提供する。
【解決手段】発電装置１は、ボイラ２の過熱器２１で一次過熱蒸気を発生させて高圧タービン３１に供給し、この高圧タービン３１で使用された蒸気を再熱器２２で再過熱して生成した二次過熱蒸気を中圧タービン３２に供給するとともに、二次過熱蒸気の一部を供給配管６を介して外部に供給する。そして、二次過熱蒸気が供給配管６から外部に供給されているときに、一次過熱蒸気の蒸気流量に基づいてボイラの燃焼を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気供給設備を備えた発電装置に関する。

例えば、既設の蒸気タービンによる発電装置を改造して外部の顧客に蒸気供給を行う設備として、燃料を燃焼させて過熱蒸気を発生させるボイラと、該ボイラから過熱蒸気が供給される蒸気タービンと、該蒸気タービンを介して駆動される発電機と、蒸気タービンに供給された過熱蒸気を冷却して復水する復水器と、ボイラから蒸気タービンに供給される過熱蒸気の一部を外部に供給する供給経路とを備え、ボイラの燃焼負荷が一定となるように蒸気タービンに供給される過熱蒸気の蒸気量を圧力調整弁で調整するものが知られている（特許文献１参照）。

このような蒸気供給設備によれば、蒸気タービンへ導入される蒸気量を調整することで、ボイラ内の蒸気圧を一定とし、これにより、ボイラの燃焼負荷を一定として、外部からの要求に応じた所定の蒸気量を供給することができる。
特開２００６−２４２５２２号公報

しかしながら、ボイラの燃焼負荷が一定となるように、燃料流量を一定として圧力調整弁で蒸気量の調整を行った場合でも、燃料の性状等によって燃料の発熱量が微妙に変化する。そのため、ボイラの運転状態を最大負荷運転とすると、燃料の発熱量が増加した場合に、ボイラは、その最大負荷を超えた状態となってしまう。これを回避するために、ボイラの燃焼負荷を一定とした運転を行う場合、その最大負荷よりも低い負荷となるように燃料流量を設定している。しかし、このような設定では、発生蒸気量を抑えた運転となるので、発電量も抑制されることになる。

そこで、本発明は、上記のような蒸気供給設備を備えた発電装置において、発生蒸気の流量が最大となる最大負荷運転を常時維持できるようにして、高いコストパフォーマンスを発揮する発電装置を提供することを目的とする。

本発明の発電装置は、燃料を燃焼させて過熱蒸気を発生させるボイラと、該ボイラから過熱蒸気が供給される蒸気タービンと、該蒸気タービンを介して駆動される発電機と、前記蒸気タービンに供給された過熱蒸気を冷却して復水する復水器と、前記ボイラから前記蒸気タービンに供給される過熱蒸気の一部を外部に供給する供給経路とを備える発電装置において、前記ボイラは、前記復水器から復水を導入して一次過熱蒸気を発生させて前記蒸気タービンに供給する過熱器と、前記一次過熱蒸気を前記蒸気タービンから導入して再過熱し、二次過熱蒸気を発生させて前記蒸気タービンに供給する再熱器とを有し、前記蒸気タービンは、前記過熱器から前記一次過熱蒸気が供給される一次タービンと、前記再熱器から前記二次過熱蒸気が供給される二次タービンとを有し、前記供給経路は、前記再熱器から前記二次タービンへの供給管から分岐して設けられて前記二次過熱蒸気の一部を外部に供給する管路であり、前記ボイラは、前記供給経路から前記二次過熱蒸気が外部に供給されているときに、前記一次過熱蒸気の蒸気流量に基づいて燃焼を制御することを特徴とする。

本発明の発電装置によれば、再熱器で発生した二次過熱蒸気を供給経路を介して外部に供給しているとき、過熱器から発生する一次過熱蒸気の蒸気流量に基づいて、ボイラの燃焼を制御する。ここで、過熱器から発生する一次過熱蒸気は、ボイラからタービン側に供給される主過熱蒸気であり、燃料の性状等によって燃料の発熱量が変化する等の、ボイラでの燃料状態の影響を受け易い。しかしながら、本発明では、一次過熱蒸気の蒸気流量に基づいて燃焼を制御することで、ボイラが、その最大負荷を超えた状態となることを回避しながら、所定の負荷運転を常時維持することができる。

本発明の好ましい態様では、前記ボイラは、燃料の燃焼熱量に基づいて該ボイラに供給される燃料流量を制御する燃焼装置であり、前記一次過熱蒸気の蒸気流量が所定の蒸気流量より大きい場合には、前記燃焼熱量を大きく見積もるように補正し、前記一次過熱蒸気の蒸気流量が所定の蒸気流量より小さい場合には、前記燃焼熱量を小さく見積もるように補正することが好ましい。これにより、ボイラに供給される燃料流量を制御して、一次過熱蒸気の蒸気流量を常に所定の流量とすることができる。

この所定の蒸気流量は、前記ボイラが最大の蒸気流量で連続運転可能な状態における前記一次過熱蒸気の蒸気流量の最大値であることが好ましい。これにより、ボイラは、その最大負荷を超えた状態となることを回避しながら、一次過熱蒸気の流量が最大となる最大負荷運転を常時維持することができる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。

図１に示すように、発電装置１は、燃料を燃焼させることにより過熱蒸気を発生させるボイラ２と、ボイラ２で発生した過熱蒸気が供給される蒸気タービン３と、蒸気タービン３に供給された過熱蒸気を冷却して該蒸気から復水する復水器４と、蒸気タービン３を介して駆動される発電機５と、ボイラ２から蒸気タービン３に供給される蒸気の一部を外部に供給する供給経路としての供給配管６とを備える。

ボイラ２は、例えば、石炭等の燃料を燃焼させることによって、水を熱して過熱蒸気を発生させる熱交換器の一種であり、本実施形態では、復水器４から導入された水を過熱して一次過熱蒸気を発生させる過熱器２１と、後述する高圧タービン３１から導入された蒸気を再過熱して二次過熱蒸気を発生させる再熱器２２とを備える。

蒸気タービン３は、過熱器２１で発生した一次過熱蒸気によって駆動される一次タービンとしての高圧タービン３１と、再熱器２２で再過熱された二次過熱蒸気によって駆動される二次タービンとしての中圧タービン３２と、中圧タービン３２からの排気によって駆動される低圧タービン３３とを備える。

そして、ボイラ２の過熱器２１の出口側と高圧タービン３１の一端側とが第１の蒸気配管１１で連通されると共に、高圧タービン３１の他端側と再熱器２２の入口側とが第２の蒸気配管１２で連通されている。これにより、過熱器２１から供給される一次過熱蒸気が高圧タービン３１に導入される一方、高圧タービン３１から排気される蒸気は再熱器２２に導入されて再過熱されるようになっている。

ここで、第１の蒸気配管１１の上流側には、過熱器２１から高圧タービン３１に供給される過熱蒸気の流量を検出する流量センサ７が設けられている。

更に、再熱器２２の出口側と中圧タービン３２の一端側とが第３の蒸気配管１３で連通されており、この第３の蒸気配管１３から上記供給配管６が分岐している。中圧タービン３２の他端側と低圧タービン３３の一端側とは、第４の蒸気配管１４で連通されている。

ここで、第３の蒸気配管１３の分岐部の下流側には、再熱蒸気圧力調整弁１５が設けられ、この調整弁１５は、第３の蒸気配管１３の分岐部よりも上流側に設けられた圧力センサ１６によって検出される圧力に応じて開閉される。これにより中圧タービン３２へ導入される蒸気量が調整される。

復水器４は、低圧タービン３３の下端部に設けられ、発電機５の駆動に使用された低圧タービン３３内の蒸気を、外部から補給される冷却用水（海水）によって冷却して水に戻す（復水）。冷却用水は、復水器４に連通する復水器補給水配管に設けられた循環ポンプ４１によって適宜補給される。復水器４による復水は、復水ポンプ４２の動作により脱気器４３に送られ、給水ポンプ２３により再びボイラ２の過熱器２１に導入される。

発電機５は、各タービン３１、３２及び３３と同軸の回転軸を有し、この軸が各タービン３１、３２及び３３によって回転駆動されることによって発電する。

第３の蒸気配管１３から分岐して設けられた供給配管６は、蒸気供給元弁６１及び蒸気供給弁６２を介して蒸気供給先（顧客）の設備と連通しており、これにより、再熱器２２から供給される再熱蒸気の一部が顧客の設備に供給される。また、供給配管６の途中には、減温器６３が設けられており、これにより、蒸気供給弁６２から供給される蒸気の温度が調整される。

また、発電装置１は、制御部として、ボイラ２への燃料供給や、上述した各種弁１５，６１，６２及び各種センサ７，１６の動作を制御するためコントローラ（図示省略）を備えている。

次に、発電装置１の作動について説明する。

まず、ボイラ２に導入された水は、過熱器２１によって過熱されて一次過熱蒸気となる。一次過熱蒸気は、第１の蒸気配管１１を通って高圧タービン３１に導入され、高圧タービン３１を作動させる。使用された蒸気は、第２の蒸気配管１２を通ってボイラ２の再熱器２２に導入され、再過熱されて二次過熱蒸気となる。

次に、二次過熱蒸気は第３の蒸気配管１３を通って中圧タービン３２に供給される一方、蒸気の一部は、分岐部から分岐管６に導入されて外部（顧客）の施設に供給される。

中圧タービン３２に導入された蒸気は、中圧タービン３２を作動させた後、第４の蒸気配管１４を介して低圧タービン３３へ導入され、低圧タービン３３を作動させる。こうして、蒸気タービン３を構成する高圧タービン３１、中圧タービン３２及び低圧タービン３１が作動して、発電機５を駆動することにより電力を発生させる。一方、タービン３の作動に使用された蒸気は、復水器４で復水となって再びボイラ２に導入される。

次に、図２に示すフローチャートを参照して、前述のコントローラによって行われるボイラ燃料の流量制御について説明する。

まず、コントローラは、ボイラ２に供給される燃料流量を制御するための要件として、二次過熱蒸気が外部の供給先に供給されているか否かを判断する（ＳＴＥＰ１）。

通常、発電のみを行っている場合には、発電機５の負荷に基づいてボイラ２への燃料の供給量が定められるが、二次過熱蒸気が外部の施設に供給されている場合には、当該施設の稼動状況等によって中圧タービン３２に供給される二次過熱蒸気量が変動し、発電機５における負荷が変動する。

そのため、ＳＴＥＰ１では、蒸気供給元弁６１と蒸気供給弁６２の開閉状態から、二次過熱蒸気の外部への供給の有無を判断し、二次過熱蒸気が外部へ供給されてない場合には（ＳＴＥＰ１でＮＯ）、発電機５の負荷に基づいてボイラ２への燃料の供給量を自動的に制御する自動運転状態を維持する（ＳＴＥＰ２）。

一方、二次過熱蒸気が外部へ供給されている場合には（ＳＴＥＰ１でＹＥＳ）、手動運転への切り替えを行う（ＳＴＥＰ３）。

手動運転への切り替えが行われると、使用燃料に基づく燃料熱量（燃料カロリー）の入力をオペレータに指示する（ＳＴＥＰ４）。ここで、入力される燃料熱量は、使用燃料の産出地や保存状態等による性状から予測される理想的な熱量の値である。

次いで、オペレータに発生蒸気量の設定を指示する（ＳＴＥＰ５）。ここで設定される発生蒸気量は、ボイラ２の過熱器２１から発生させる主蒸気流量であるところの一次過熱蒸気量であり、オペレータは、この一次過熱蒸気の流量の値を設定する。このとき、オペレータは、発生蒸気量を、ボイラが最大の蒸気流量で連続運転可能な状態における一次過熱蒸気の流量の最大値（例えば、前記特許文献１に開示された４８３ｔ／ｈ）に設定することができる。

発生蒸気量が設定されると、コントローラは、発生蒸気量と燃料熱量から燃料供給量を算出し、その燃料供給量に基づいて石炭等の燃料を所定の流量でボイラ２に投入するように流量制御を行う。

このようにして手動運転が開始されると、コントローラは、第１の蒸気配管１１に設定された流量センサ７の検出値に基づいて、過熱器２１から発生する一次過熱蒸気の流量が、上記ＳＴＥＰ５で設定された蒸気量となっているか否かを判定する（ＳＴＥＰ６及びＳＴＥＰ８）。

そして、一次過熱蒸気の流量が設定された蒸気量よりも大きい場合には（ＳＴＥＰ６でＹＥＳ）、ＳＴＥＰ４で入力された燃料熱量の値をインクリメントする補正を行う（ＳＴＥＰ７）。ここで、燃料熱量は、実際の燃料の性状等によって変化するため、実際の燃料の燃焼状態に基づいて燃料熱量を修正する補正を行う。特に、一次過熱蒸気の流量が設定した流量よりも大きい場合には、ボイラでの燃焼により予想を上回る熱量が発生しているため、ボイラに投入された燃料は、設定した燃焼熱量よりも大きい熱量を有するものとして、燃焼熱量の値をインクリメントする補正を行う。

一方、一次過熱蒸気の流量が設定された蒸気量よりも大きくない場合には（ＳＴＥＰ６でＮＯ）、一次過熱蒸気の流量が設定された蒸気量よりも小さいか否かを判定する（ＳＴＥＰ８）。そして、一次過熱蒸気の流量が設定された蒸気量よりも小さい場合には（ＳＴＥＰ８でＹＥＳ）、ＳＴＥＰ４で入力された燃料熱量の値をデクリメントする補正を行う（ＳＴＥＰ９）。ここでは、一次過熱蒸気の流量が設定した流量よりも小さい場合には、ボイラでの燃焼により予想を下回る熱量しか発生していないため、ボイラに投入された燃料は、設定した燃焼熱量よりも小さい熱量を有するものとして、燃焼熱量の値をデクリメントする補正を行う。

尚、上記の補正量は、実際の一次過熱蒸気の流量と設定された蒸気量との偏差に対応した値としてもよく、また、予め定められた微小値であってもよい。

上記のように、燃料熱量がインクリメント又はデクリメントされると、コントローラは、修正された燃焼熱量に基づいて燃料供給量を再算出し、算出した燃料供給量に基づいて石炭等の燃料を所定の流量でボイラ２に投入するように制御する。

一方、ＳＴＥＰ６及びＳＴＥＰ８でいずれもＮＯ、すなわち一次過熱蒸気の流量が所定の流量となっている場合には、燃料熱量を修正することなく、従前の燃焼供給量での燃料の投入を継続する。

次いで、コントローラは、燃料の変更による燃料熱量の変更や発生蒸気量の変更が必要であるか否かを確認し（ＳＴＥＰ１０）、設定変更が不要の場合には、ＳＴＥＰ６に戻って、ＳＴＥＰ６以下の処理を繰り返す。一方、設定変更が必要な場合には、初めに戻る。

以上のように、一次過熱蒸気の蒸気流量によって燃料の発熱量を監視し、一次過熱蒸気が所定の流量となるように制御することで、ボイラが最大負荷を超えた状態となることを回避して、所定の負荷運転を常時維持することができる。また、これにより、一次過熱蒸気の流量が最大となる最大負荷運転を常時維持することができ、発電装置を最大限に活用して高いコストパフォーマンスを得ることができる。

本発明の一実施形態としての発電装置の構成を示す図。 本発明の一実施形態としての発電装置の処理を示すフローチャート。

符号の説明

１…発電装置、２…ボイラ、３…蒸気タービン、４…復水器、５…発電機、６…供給配管、７…流量センサ、１１〜１４…蒸気配管、１５…再熱蒸気圧力調整弁、１６…圧力センサ、２１…過熱器、２２…再熱器、３１…高圧タービン（一次蒸気タービン）、３２…中圧タービン（二次蒸気タービン）、３３…低圧タービン、６１…蒸気供給元弁、６２…蒸気供給弁、６３…減温器。

Claims (3)

1. 燃料を燃焼させて過熱蒸気を発生させるボイラと、該ボイラから過熱蒸気が供給される蒸気タービンと、該蒸気タービンを介して駆動される発電機と、前記蒸気タービンに供給された過熱蒸気を冷却して復水する復水器と、前記ボイラから前記蒸気タービンに供給される過熱蒸気の一部を外部に供給する供給経路とを備える発電装置において、
   前記ボイラは、前記復水器から復水を導入して一次過熱蒸気を発生させて前記蒸気タービンに供給する過熱器と、前記一次過熱蒸気を前記蒸気タービンから導入して再過熱し、二次過熱蒸気を発生させて前記蒸気タービンに供給する再熱器とを有し、
   前記蒸気タービンは、前記過熱器から前記一次過熱蒸気が供給される一次タービンと、前記再熱器から前記二次過熱蒸気が供給される二次タービンとを有し、
   前記供給経路は、前記再熱器から前記二次タービンへの供給管から分岐して設けられて前記二次過熱蒸気の一部を外部に供給する管路であり、
   前記ボイラは、前記供給経路から前記二次過熱蒸気が外部に供給されているときに、前記一次過熱蒸気の蒸気流量に基づいて燃焼を制御することを特徴とする発電装置。
2. 請求項１記載の発電装置において、
   前記ボイラは、燃料の燃焼熱量に基づいて該ボイラに供給される燃料流量を制御する燃焼装置であり、
   前記一次過熱蒸気の蒸気流量が所定の蒸気流量より大きい場合には、前記燃焼熱量を大きく見積もるように補正し、
   前記一次過熱蒸気の蒸気流量が所定の蒸気流量より小さい場合には、前記燃焼熱量を小さく見積もるように補正することを特徴とする発電装置。
3. 請求項２記載の発電装置において、
   前記所定の蒸気流量は、前記ボイラが最大の蒸気流量で連続運転可能な状態における前記一次過熱蒸気の蒸気流量の最大値であることを特徴とする発電装置。